JP2007326764A - 改質器のエレメントケース - Google Patents

Abstract

【課題】製造の際に生じる、皿状容器形成部材や仕切板の歪みを防止することが可能な改質器のエレメントケースを提供する。
【解決手段】扁平皿形に形成され開口部周縁に鍔部２１ａ，２２ａが形成された皿状容器形成部材２１，２２を、開口面を向かい合わせた状態で鍔部２１ａ，２２ａ同士を合致させ、扁平箱を構成してなる外側ケースと、両皿状容器形成部材２１，２２の鍔部２１ａ，２２ａに挟持され、外側ケースの内部空間を左右に仕切る仕切板２３を備えた改質器のエレメントケースにおいて、鍔部２１ａ，２２ａにより挟持された仕切板１２の周縁部分よりも内側の領域、又は皿状容器形成部材２１，２２の皿底部の平坦領域に、凹凸部を形成する。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池用の改質器のエレメントの構造に関する。

都市ガス又はＬＰガス（以下「都市ガス等」という。）を利用して発電を行う燃料電池では、都市ガス等から水素を生成し、生成された水素と空気を反応させることによって発電を行う。この際、都市ガスから水素を生成する際に改質器が使用される。改質器は、都市ガス等と水を触媒の存在下で反応させて水素の生成を行う。

改質器をその形状により分類すると、円筒型改質器と平板型改質器とに分けられる。円筒型改質器は、円筒形のケース（反応容器）内に触媒その他の反応装置を収容したものである（例えば、特許文献１，２参照）。従来の改質器の殆どは、この円筒型改質器が使用されている。一方、平板型改質器は、相対向する平坦な広面を有する中空扁平箱状のケース（反応容器）内に触媒その他の反応装置を収容したものである（例えば、特許文献３参照）。以下、本明細書においては、平板型改質器を取り扱う。

図７は、特許文献３に記載の平板型改質器である。平板型改質器１００は、改質触媒や酸化触媒が充填された複数のエレメントケース１０１〜１１０、断熱材１１１〜１１３、排熱回収用熱交換器１１４、及びヒータ１１５〜１１８を備えている。

この平板型改質器１００は、原料ガスを水と触媒下で反応させることにより、原料ガスを改質し、水素リッチな変成処理ガスを生成する装置である。原料処理ガスは、まず、エレメントケース１０６→１０５→１０４（右側室）の順に送られて、加熱されると共に各ケース内の脱硫触媒により脱硫が行われる。その後、改質を行うエレメントケース１０２の右側室（改質処理室）に送入される。

一方、ファン１１９により導入される空気は、排熱回収用熱交換器１１４において、燃料電池１２２からの排ガスと共に加熱され、熱供給のために改質を行うエレメントケース１０２の左側室（燃焼室）に送入される。燃焼室において、排ガスが燃焼されてエレメントケース１０２の右側室（改質処理室）への与熱がされる。その後、エレメントケース１０１の左側室を通って原料水へ与熱した後、エレメントケース１０８の右側室を通って変成処理ガスに予熱し、さらに排熱回収用熱交換器１１４を通ってファン１１９から送入される空気と燃料電池１２２からの排ガスに与熱した後に排出される。

また、ポンプ１２０により送水される原料水は、熱交換器１２１で加熱された後、エレメントケース１０１の右側室内に送られてヒータ１１５と前述の燃焼ガスにより加熱され気化される。生成される水蒸気は、エレメントケース１０４の右側室に送入され、原料ガスと混合された後に、改質を行うエレメントケース１０２の右側室に送入される。エレメントケース１０２の右側室内には改質触媒が充填されており、水蒸気と原料ガスとを反応させることにより、水素ガスと一酸化炭素を生成する。改質により生成された水素リッチな変成処理ガスは、エレメントケース１０３→１０４（左側室）→１０７→１０８（左側室）→１０９→１１０の順に送られて、各ケース内の改質触媒の存在下でさらに改質が行われる。そして、燃料電池１２２内のセルスタックに送られて発電が行われる。

エレメントケース１０１，１０２，１０４〜１１０は、平坦な広面を有する中空板状のケースであり、中央に左右の室を離隔する仕切板（伝熱板）が設けられている。図８にエレメントケース１０２の外観斜視図を示す。

エレメントケース１０２は、２つの皿状容器形成部材１３１ａ，１３１ｂが開口面を向かい合わせ、仕切板１３２を挟んで衝合された構成を有する。皿状容器形成部材１３１ａ，１３１ｂの周縁には鍔部１３３ａ，１３３ｂが形成されている。仕切板１３２は、この鍔部１３３ａ，１３３ｂの間に挟持されている。仕切板１３２を挟んで右側の皿状容器形成部材１３１ａの内部に形成される室が改質処理室１３４、左側の皿状容器形成部材１３１ｂの内部に形成される室が燃焼室１３５である。

改質処理室１３４の上部には、改質触媒の投入及び原料ガスの供給を行うための送入管１３６が取り付けられており、送入管１３６の側方に分岐して、原料ガスを供給するための原料ガス供給口１３７が設けられている。また、送入管１３６の上端開口部は、触媒投入口１３８となっており、ここから改質処理室１３４内に改質触媒を投入する。
特開２００３−１５１６０７号公報 特開平９−３０９７０２号公報 特開２００４−５９３５９号公報

上述のような平板型改質器のエレメントケースを製造する場合、皿状容器形成部材１３１ａ，１３１ｂに仕切板１３２を挟持した状態で、鍔部１３３ａ，１３３ｂの外周四方の端面を溶接する。

しかしながら、溶接時において、皿状容器形成部材１３１ａ，１３１ｂや仕切板１３２が入熱により膨張し歪みが発生する問題がある。この歪みにより、仕切板１３２の左右の室の容積が変わる。室の容積が変わると、各室内に投入される触媒の量や燃焼室の容積が変わり、設計通りの改質性能・燃焼性能を得ることができないという問題が生じる。

そこで、本発明の目的は、製造の際に生じる、皿状容器形成部材や仕切板の歪みを防止することが可能な改質器のエレメントケースを提供することにある。

本発明に係る改質器のエレメントケースの第１の構成は、扁平皿形に形成され開口部周縁に鍔部が形成された第１及び第２の皿状容器形成部材を、開口面を向かい合わせた状態で前記鍔部同士を合致させ、扁平箱を構成してなる外側ケースと、前記両皿状容器形成部材の前記鍔部に挟持され、前記外側ケースの内部空間を左右に仕切る仕切板と、を備えた改質器のエレメントケースであって、前記鍔部により挟持された前記仕切板の周縁部分よりも内側の領域、又は前記皿状容器形成部材の皿底部の平坦領域に、凹凸部が形成されていることを特徴とする。

この構成によれば、エレメントケースを製造するにあたり、第１及び第２の皿状容器形成部材に仕切板を挟持して鍔部外縁を溶接するときに、入熱により仕切板又は両皿状容器形成部材が膨張しても、仕切板の周縁部分よりも内側の領域や両皿状容器形成部材の皿底部の平坦領域に形成された凹凸部が、仕切板や両皿状容器形成部材の体積膨張を吸収する。また、凹凸部の曲折部分が力骨（リブ）として機能し、平坦部の曲げに対する強度が補強され、仕切板や両皿状容器形成部材の撓みが防止される。これにより、エレメントケースの製造時に、仕切板や両皿状容器形成部材の撓みによるケースの歪みを防止することができる。

本発明に係る改質器のエレメントケースの第２の構成は、前記第１の構成において、前記凹凸部がリブであることを特徴とする。

これにより、両皿状容器形成部材や仕切板の平坦領域の曲げに対する強度が補強され、仕切板や両皿状容器形成部材の撓みが防止される。従って、エレメントケースの製造時に、仕切板や両皿状容器形成部材の撓みによるケースの歪みを防止することができる。

本発明に係る改質器のエレメントケースの第３の構成は、前記第１又は２の構成において、前記凹凸部は、前記仕切版により仕切られた前記外側ケース内の左右の内部空間の体積が等しくなるように形成されていることを特徴とする。

この構成により、仕切板の両側の外側ケース内の室の容積は、仕切板の凹凸部によって変化しないため、設計通りの容積が得られる。従って、各室内に投入される触媒の量は、仕切板の凹凸部の影響で変化することがないため、設計通りの改質性能を得ることができる。

本発明に係る改質器のエレメントケースの第４の構成は、前記第１乃至３の何れかの構成において、前記鍔部により挟持された前記仕切板の周縁部分よりも内側の領域に形成された前記凹凸部の少なくとも１つは、その外側周縁が、前記周縁部分の至近位置となるように形成されていることを特徴とする。

この構成により、凹凸部を仕切板の位置決めのためのリブとしての役割も持たせることができる。すなわち、凹凸部により仕切板のずれが規制されるため、仕切板を両皿状容器形成部材に挟んだ状態で溶接する際に、仕切板が位置ずれを起こすことを防止できる。

以上のように、本発明によれば、仕切板の周縁部分よりも内側の領域や両皿状容器形成部材の皿底部の平坦領域には凹凸部を形成したことにより、エレメントケースの製造時に、仕切板や両皿状容器形成部材の撓みによるケース容積の変化を防止することができる。これにより、エレメントケースの製造不良を減少させ、歩留まりを改善することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は、平板型改質器の全体構成を表す斜視図である。平板型改質器１は、複数の扁平箱状のエレメントケース２〜１１が広面を向かい合わせた状態で重ね合わせて配置されている。各エレメントケース２〜１１の間は、原料ガス、空気、水、又は変成処理ガスが送られる配管により接続される。

図２は、図１のエレメントケースの一つを取り出したものである。図３は、図２のエレメントケースの分解斜視図である。

エレメントケース２０は、仕切板２３を挟んで２つの扁平皿形の皿状容器形成部材２１，２２が、皿開口面を向かい合わせた状態で衝合されている。皿状容器形成部材２１，２２の周縁部には、鍔部２１ａ，２２ａが形成されている。鍔部２１ａ，２２ａは、皿状容器形成部材２１，２２の周縁を折り曲げて、鍔面が皿状容器形成部材２１，２２の皿底面（広面）２１ｂ，２２ｂに対して平行な面となるように形成されている。

鍔部２１ａ，２２ａの外郭辺は同型であり、また、仕切板２３の外郭辺は鍔部２１ａ，２２ａの外郭辺とほぼ同型乃至は鍔部２１ａ，２２ａの外郭辺よりも僅かに大きく形成されている。これら鍔部２１ａ，２２ａの外郭辺及び仕切板２３の外郭辺は、溶接により溶着されている。仕切板２３は、皿状容器形成部材２１，２２により形成されるエレメントケース２０の室内を左右の室に離隔するとともに、左右の室間で伝熱を行うためのものである。

また、皿状容器形成部材２１，２２の皿底面２１ｂ，２２ｂの中央には、円形の触媒充填口２４が形成されている。触媒充填口２４は、皿状容器形成部材２１，２２と仕切板２３とで形成される室内に触媒を投入するための穴である。

皿状容器形成部材２１，２２の皿内には、それぞれ２つの通気性仕切部材２５，２５が設けられている。通気性仕切部材２５，２５は、皿状容器形成部材２１，２２の対向する２つの短辺の付近に、各短辺に平行に設置されている。通気性仕切部材２５，２５は、パンチングメタルにより構成されており、通気性が確保されている。この通気性仕切部材２５，２５は、短辺の側壁に形成されるガス通気口２６から触媒が溢れ出さないように皿内に触媒を保持するとともに、ガス通気口２６から送入されるガスを一様な流れとして触媒に送入するための空間を作る役割を担う。

本実施例１においては、皿状容器形成部材２１の皿底面２１ｂには、凹凸状のリブ２１ｃ，２１ｄが３つずつ形成されている。リブ２１ｃ，２１ｄは皿底面２１ｂをプレス加工することにより形成されている。リブ２１ｃは、皿底面２１ｂの内側から外側に（皿内から見て）凹状に形成されたリブであり、リブ２１ｄは、皿底面２１ｂの外側から内側に（皿内から見て）凸状に形成されたリブである。リブ２１ｃ，２１ｄはすべて同形であり、リブ２１ｃにより皿底面２１ｂ内に形成される凹溝状の空間の体積と、リブ２１ｄにより皿底面２１ｂ内に形成される凸状体の体積とは等しい。

同様に、皿状容器形成部材２２の皿底面２２ｂには、同型の凹凸状のリブ２２ｃ，２２ｄが３つずつ形成されている。

さらに、仕切板２３の鍔部２１ａ，２２ａにより挟持される周縁部分よりも内側の平坦領域２３ａには、凹凸状のリブ２３ｂ，２３ｃが３つずつ形成されている。リブ２３ｂ，２３ｃは仕切板２３をプレス加工することにより形成されている。
リブ２３ｂは、仕切板２３の表側から裏側に凹状に形成されたリブであり、リブ２３ｃは、仕切板２３の裏側から表側に凹状に形成されたリブである。リブ２３ｂ，２３ｃはすべて同形であり、リブ２３ｂの体積と、リブ２３ｃの体積とは等しい。

このエレメントケース２０を組み立てる場合、仕切板２３の周縁付近を、皿状容器形成部材２１，２２の鍔部２１ａ，２２ａにより挟持して、この状態で鍔部２１ａ，２２ａ及び仕切板２３の外縁端部を溶接する。この際、入熱により皿状容器形成部材２１，２２の皿底面２１ｂ，２２ｂ及び仕切板２３の平坦領域２３ａが膨張するが、リブ２１ｃ，２１ｄ、リブ２２ｃ，２２ｄ、及びリブ２３ｂ，２３ｃによって部材の膨張による力が吸収される。また、各リブは、皿状容器形成部材２１，２２の皿底面２１ｂ，２２ｂ及び仕切板２３の平坦領域２３ａを、撓み方向の力に対して補強する力骨としても作用し、皿底面２１ｂ，２２ｂ及び仕切板２３の歪みを防止する。従って、エレメントケース２０の製造時に、仕切板２３や両皿状容器形成部材２１，２２の歪みによるエレメントケース２０の容積の変化を防止することができる。

尚、本実施例で、各リブ（リブ２１ｃ，２１ｄ、リブ２２ｃ，２２ｄ、及びリブ２３ｂ，２３ｃ）の数は３としたが、本発明においては、リブの本数は特にこれに限られるものではない。また、リブの形状についても、図２，３に示したような形状に限られるものではなく、同形である必要もない。

図４は、本発明の実施例２に係るエレメントケースの断面図である。図５は、図４の皿状容器形成部材２１，２２の（ａ）正面図、（ｂ）Ａ−Ａ線矢視断面図、及び（ｃ）Ｂ−Ｂ線矢視断面図である。また、図６は、図４の仕切板２３の（ａ）正面図、（ｂ）Ａ−Ａ線矢視断面図、（ｃ）Ｂ−Ｂ線矢視断面図、及び（ｄ）Ｃ−Ｃ線矢視断面図である。

図４〜図６において、エレメントケース２０、皿状容器形成部材２１，２２、鍔部２１ａ，２２ａ、仕切板２３、及び触媒充填口２４は、図２，図３と同様であり、説明は省略する。

本実施例２のエレメントケース２０においては、皿状容器形成部材２１，２２は、皿底面に凸部３１及び凹部３２が形成されている。凸部３１は、皿底面の外縁からその内側にかけて凹部３２を取り囲んで一定の幅Ｌ１で形成されている。

また、仕切板２３の板面には、周辺凹部４１、凸部４２、中央凹部４３、及び４つの凸状リブ４４が形成されている。仕切板２３の板面外縁から中央に向かって、平坦領域２３ａ、周辺凹部４１、凸部４２、中央凹部４３の順で形成されている。周辺凹部４１は、その外周が、４隅に切り欠きを持った矩形状であり、その４隅の切り欠き部分には、それぞれ凸状リブ４４が形成されている。この周辺凹部４１及び凸状リブ４４は、その外側周縁が、鍔部２１ａ，２２ａにより挟持された仕切板２３の周縁部分（すなわち平坦部分２３ａ）の至近位置となるように形成されている。このように形成することで、図４に示したように、周辺凹部４１及び凸状リブ４４の外側周縁が、皿状容器形成部材２１，２２の鍔部２１ａ，２２ａ内側の凹状の部分にちょうど嵌合し、皿状容器形成部材２１，２２と仕切板２３との位置決めが容易となる。

平板型改質器の全体構成を表す斜視図である。 図１のエレメントケースの一つを取り出したものである。 図２のエレメントケースの分解斜視図である。 本発明の実施例２に係るエレメントケースの断面図である。 図４の皿状容器形成部材の（ａ）正面図、（ｂ）Ａ−Ａ線矢視断面図、及び（ｃ）Ｂ−Ｂ線矢視断面図である。 図４の仕切板の（ａ）正面図、（ｂ）Ａ−Ａ線矢視断面図、（ｃ）Ｂ−Ｂ線矢視断面図、及び（ｄ）Ｃ−Ｃ線矢視断面図である。 特許文献３に記載の平板型改質器である。 特許文献３に記載のエレメントケース１０２の外観斜視図を示す図である。

符号の説明

１ 平板型改質器
２〜１１ エレメントケース
２０ エレメントケース
２１，２２ 皿状容器形成部材
２１ａ，２２ａ 鍔部
２１ｂ，２２ｂ 皿底面
２１ｃ，２１ｄ，２２ｃ，２２ｄ，２３ｂ，２３ｃ リブ
２３ 仕切板
２３ａ 平坦領域
２４ 触媒充填口
２５ 通気性仕切部材
２６ ガス通気口
３１ 凸部
３２ 凹部
４１ 周辺凹部
４２ 凸部
４３ 中央凹部
４４ 凸状リブ

Claims (4)

1. 扁平皿形に形成され開口部周縁に鍔部が形成された第１及び第２の皿状容器形成部材を、開口面を向かい合わせた状態で前記鍔部同士を合致させ、扁平箱を構成してなる外側ケースと、
   前記両皿状容器形成部材の前記鍔部に挟持され、前記外側ケースの内部空間を左右に仕切る仕切板と、を備えた改質器のエレメントケースであって、
   前記鍔部により挟持された前記仕切板の周縁部分よりも内側の領域、又は前記皿状容器形成部材の皿底部の平坦領域に、凹凸部が形成されていることを特徴とする改質器のエレメントケース。
2. 前記凹凸部がリブであることを特徴とする請求項１記載の改質器のエレメントケース。
3. 前記凹凸部は、前記仕切版により仕切られた前記外側ケース内の左右の内部空間の体積が等しくなるように形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の改質器のエレメントケース。
4. 前記鍔部により挟持された前記仕切板の周縁部分よりも内側の領域に形成された前記凹凸部の少なくとも１つは、その外側周縁が、前記周縁部分の至近位置となるように形成されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一記載の改質器のエレメントケース。
   
   
   
   

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